Microemulsions as compartmentalised reaction media: structural characterisation of water-in-oil microemulsions

Tobias Foster, August 2006

In dieser Arbeit werden systematische Untersuchungen der Strukturen und der Strukturumwandlungen in hocheffizienten, nanostrukturierten Wasser-in-Öl Mikro-emulsionen vorgestellt. Wasser-in-Öl Mikroemulsionen zeichnen sich durch eine Vielzahl unterschiedlicher Mikrostrukturen wie Kugeln, Zylinder und Netzwerke verzweigter Zylinder aus. Sie liefern somit Reaktionsräume variabler Konnektivität auf der Längenskala von 1-100 nm, die zur Untersuchung biologisch relevanter, chemischer Reaktionen auf Einzelmolekülniveau genutzt werden können. Durch Veränderung externer Parameter wie der Temperatur lassen sich die unterschiedlichen Mikrostrukturen leicht ineinander umwandeln, wodurch eine schaltbare strukturelle Konnektivität gewährleistet wird. Hocheffiziente Wasser-in-Öl Mikroemulsionen wurden hergestellt und in Neutronen-Kleinwinkelstreuexperimenten daraufhin untersucht, wie sich durch geeignete Probenzusammensetzung Mikroemulsionströpfchen mit Radien bis zu 50 nm erzielen lassen, die erlauben, biologisch relevante Makromoleküle wie DNA zu solubilisieren. In dem Mikroemulsionssystem aus Wasser, Cyclohexan und dem nichtionischen Tensid C₁₂E₆ konnten dabei Tröpfchenradien von 35 nm nachgewiesen werden. Zur Auswertung der Neutronenstreudaten wurde ein Formfaktor für die Streuung einer Kugelschale mit Gauß-förmigem Dichteprofil und Streubeitrag des Tropfenkerns abgeleitet. Durch Zugabe kleiner Mengen amphiphiler Blockcopolymere des Typs Poly(ethylenpropylen)-co-poly(ethylenoxid) zu ölreichen Mikroemulsionen aus Wasser, n-Decan und dem Tensid C₁₀E₄ wurden Tröpfchenradien von bis zu 30 nm erreicht. Die Neutronenstreudaten wurden mit einem Formfaktor für Kern-Schale-Teilchen mit Polymer-Streubeitrag ausgewertet. Diese Auswertung lieferte auch Informationen über die Streckung der hydrophoben Polymerblöcke, welche die Mikroemulsionströpfchen umgeben. Weitere Neutronenstreumessungen wurden zur Untersuchung des Kugel-Netzwerk-Übergangs in Wasser-in-Öl Mikroemulsionen durchgeführt. Um die strukturellen Eigenschaften des Zylindernetzwerks zu ermitteln, wurden in Kooperation mit Samuel Safran neuartige Formfaktoren für die Streuung der Grenzfläche einer Netzwerk-Verzweigung sowie die Streuung einer Netzwerk-Verzweigung aus drei Stäben mit sphärischem Querschnitt abgeleitet. Die experimentellen Daten wurden mit dem zweiten Form-Faktor ausgewertet. Dabei konnte gezeigt werden, dass der Querschnittsradius und die Länge der Zylinder des Netzwerks mit wachsendem Wassergehalt der Mikroemulsion zunehmen.